CN111951572B - 一种城市道路交叉口多时段信号控制方案的时段划分优化方法 - Google Patents

Abstract

一种城市道路交叉口多时段信号控制方案的时段划分优化方法，从进口流向层级的排队疏散时间着手，对最小时间颗粒度对应的相位、流向的空放率、失衡率进行标定，进而分析相邻时间间隔在不同流向的绿时利用情况以及同一相位内不同流向的需求失衡情况，在此基础上研判相邻时间间隔合并的可行性。通过多重分析与合并，对原始时段划分方案进行优化，满足路口非饱和以及饱和过饱和状态下的信号优化目标，从而实现可靠性更高、稳定性更强的信控时段划分。

Description

一种城市道路交叉口多时段信号控制方案的时段划分优化 方法

技术领域

本发明涉及道路交通控制领域，具体涉及一种城市道路交叉口多时段信号控制方案的时段划分优化方法。

背景技术

城市道路交通信号控制为适应全天不同时间段内的交通需求，通常采用多时段信号控制方案，即划分若干时段，并在同一时段内采用相同的信号控制周期、相序以及绿信比等配时参数；对于信号单点优化来说，时段划分优化是首要环节，是后续信号配时参数的优化的前提与依据。

传统的时段划分方法以交警管控经验为主导，根据路口交通荷载量或排队特征，划分高峰、平峰、低峰时段，进而为各时段配置相应的固定信号控制方案。在数据导向的管控模式下，基于交通流运行检测数据的自动时段划分方法，大多依据历史交通流量、排队长度等基础交通流参数，以阈值法、统计法、聚类法等数据挖掘方法，提取路口进口道层级或车道层级的交通运行相似性特征，并根据相似性划分信号控制时段。

交通流量、排队长度对进口道或流向层级是交通需求的直接反应，但单点信号优化在非饱和时段大多以绿时利用率最大为优化目标，在饱和过饱和状态大多以放行量最大为优化目标；因此，在进行时段优化时，仅考虑交通需求，而忽略了信号控制相位对于各流向的放行情况，对于控制时段划分而言是不全面的。

发明内容

针对上述背景技术中存在的问题，本发明提出一种城市道路交叉口多时段信号控制方案的时段划分优化方法，从进口流向层级的排队疏散时间着手，对最小时间颗粒度对应的相位、流向的空放率、失衡率进行标定，进而分析相邻时间间隔在不同流向的绿时利用情况以及同一相位内不同流向的需求失衡情况，在此基础上研判相邻时间间隔合并的可行性。通过多重分析与合并，对原始时段划分方案进行优化，满足路口非饱和以及饱和过饱和状态下的信号优化目标，从而实现可靠性更高、稳定性更强的信控时段划分。

一种城市道路交叉口多时段信号控制方案的时段划分优化方法，包括如下步骤：

步骤1，对接交叉口渠化信息、进口道交通流检测数据以及多时段交通信号控制方案；

步骤2，基于实测的短时间隔的进口道交通流检测数据以及多时段交通信号控制方案，标定短时间隔的相位空放率、相位失衡率、流向空放率，并进行数据预处理，得到待切分的控制时段内的相位空放率、相位失衡率时间序列；

步骤3，从步骤2中得到的经过预处理的待切分控制时段内的相位空放率、相位失衡率时间序列中，基于对同一控制时段内同一相位绿时利用情况及其不同流向过车失衡情况的差异性分析，提取出待优化的短时间隔序列F_k；

步骤4，对于待优化短时间隔序列F_k中的间隔，若存在任意两个时间连续的间隔，则对间隔内的相位空放率、相位失衡率、流向空放率进行相似性分析，判断其合并的可行性，得到二次合并待优化间隔序列F″_k；

步骤5，经步骤4处理后形成的二次合并待优化间隔序列F″_k，序列中的间隔为t″，将序列内各间隔的起点时刻标记为时段切分点p_(k,t″)；按时序排列所有时段切分点p_(k,t)、p_(k,t″)，并由切分点在原始时段内形成若干子时段，若存在子时段长度小于时段时长阈值T₁，则进一步检测其前、后相邻时段长度，并将该子时段与其长度较小的相邻时段之间的切分点取消；从而形成优化时段P_k内的时刻切分点序列m_(k,t)，据此将原始时段P_k进行优化划分，形成优化方案P_m；其中，时段时长阈值T₁通常不小于15min；

步骤6，对于优化方案P_m中的任意两个相邻的时段P_m、P_m+1，其中m指代优化方案P_m中的时段，若其所属的原始时段不同，则基于流向空放率对其运行特征相似性分析，若满足合并条件，则对相邻时段P_m、P_m+1进行合并，否则保持原划分点；得到形成优化方案P_v；

步骤7，提取出优化方案P_v中长度小于时长阈值T₂的时段，并将其中的连续时段加以合并，时长阈值T₂的取值不小于30min；对于其中离散的时段，检测其相邻时段是否存在f_t＝1的短时间隔，若存在，将其与存在f_t＝1短时间隔且总时长较短的时段合并；否则，则将该时段合并到相邻时段中总时长较短的时段中；合并后的时段即为最终优化划分方案P_f。

进一步地，步骤1中，渠化信息包括各进口道的流向j与车道的对应关系；进口道交通流检测数据包括各转向饱和车头时距h_j，以及短时间隔内的流向流量q_(j,t)，其中t指代短时间隔，以5min作为短时间隔时长；多时段信号控制方案包括全天该路口的交通信号控制时段P_k的起、终时刻以及该时段对应的信号控制周期C_k、相序、相位绿灯时长g_(k,i)，并根据相位中的流向组成情况计算各流向绿灯时长G_(k,j)，其中k指代控制时段编号，i指代相位编号，j指代相位i中的流向编号。

进一步地，步骤2的具体步骤包括：

步骤2-1，基于交叉口各流向空放时长Δ_(j,t)，计算短时间隔内的各相位空放率A_(i,t)、各相位失衡率U_(i,t)、流向空放率R_(i,t)；

其中，流向空放时长

式中短时间隔t包含在控制时段P_k的时间区间内；

相位空放率

式中

指相位i包含的流向中最短的空放时长；

相位失衡率

式中

为该时段内相位所有流向空放时长均值，N为相位i内包含的流向数量；

流向空放率

式中参数同前；

步骤2-2，根据步骤2-1计算获得的各相位空放率A_(i,t)、各相位失衡率U_(i,t)的时间序列，对原始交通信号控制时段P_k内的数据完整性进行判断，若相位空放率、失衡率数据缺失比例超过阈值D，则将该控制时段标记为不切分；否则，该控制时段标记为待切分，并提取出该控制时段内所有短时间隔的相位空放率、相位失衡率参数时间序列；阈值D取值不大于50％；

步骤2-3，对提取出的短时间隔相位空放率、相位失衡率参数时间序列进行指数平滑处理，根据相位失衡率的时间序列极差确定指数平滑系数，其中极差

即为相位失衡率的最大值与最小值的差值。

进一步地，步骤3中，待优化的短时间隔序列F_k的步骤是：

步骤3-1，若相位空放率A_(i,t)＞α₁，且相位失衡率U_(i,t)≤μ₁，则将该短时间隔i的优化特征参数f_t标记为0；否则，f_t标记为1；其中，优化特征参数定义为：

α₁,μ分别为相位空放率与失衡率切分阈值，取值为α₁＝0.1,μ₁＝0.5；

步骤3-2，提取所有标记为f_t＝1的短时间隔，并进一步判断

或

是否成立，若成立，则提取出短时间隔t，并将同属于相同控制时段的短时间隔组合成为待优化间隔序列F_k；若不成立，则将其优化特征参数f_t赋值为0；其中，F_k对应于原始交通信号控制时段P_k，β为变化率阈值，根据路口交通运行实测情况进行调整；

步骤3-3，提取出所有f_t＝0的短时间隔，并将其中存在的连续间隔合并，合并后的间隔起始时刻点标记为切分点p_(k,t)。

进一步地，步骤4具体步骤如下：

步骤4-1，对于任两个连续的短时间隔t、t+1，若对于间隔内的任意相位i，A_(i,t)＞α₂均成立，则将短时间隔t、t+1合并，形成一次合并待优化间隔序列F_k'；其中，α₂为一次合并阈值；

步骤4-2，对F_k'内各时段原始的相位失衡率做卷积平滑处理；

步骤4-3，对于F_k'中的间隔，若存在任意两个时间连续的间隔t',t'+1，其流向失衡率满足R_(j,t')·R_(j,t'+1)＞0，且失衡流向对应的相位失衡指数|U_(i,t')-U_(i,t'+1)|≤μ₂，则将间隔t’、t’+1合并，形成二次合并待优化间隔序列F″_k；其中，t’表示经步骤4-1合并处理后的序列F_k'中的时间间隔，μ₂为二次合并失衡指数相似性阈值。

进一步地，步骤6中，合并条件包括：

条件1，两时段内的任意短时间隔内t_m的任意流向空放率

式中流向空放率绝对阈值γ₁取值通常不小于0.8；

条件2，相邻间隔内所有流向均满足

条件3，相邻间隔内所有流向均满足

式中流向空放率相对阈值γ₂取值通常不大于0.3；

上述三个条件同时满足时进行合并。

本发明达到的有益效果为：本发明基于相位的空放情况、流向失衡情况交通运行特征相似性进行分析，通过最小粒度的时间间隔的多条件研判与合并，实现对原始信号控制时段划分方案的优化，能够满足路口非饱和以及饱和过饱和状态下的常见的信号优化目标，适用性强；因为是以原始时段划分方案为基准的优化，因此在优化后的方案可靠性与稳定性能够得到保障。

附图说明

图1为本发明实施例所述时段划分优化方法的步骤流程图。

图2为本发明实施例所述数据采集阶段的步骤流程图。

图3为本发明实施例所述数据预处理阶段的步骤流程图。

图4为本发明实施例所述待优化间隔提取阶段的步骤流程图。

图5为本发明实施例所述待优化间隔合并阶段的步骤流程图。

图6为本发明实施例所述优化方案生成阶段的步骤流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

一种城市道路交叉口多时段信号控制方案的时段划分优化方法，包括如下步骤：

S1、对接交叉口渠化信息、进口道交通流检测数据以及多时段交通信号控制方案。

其中，渠化信息包括各进口道的流向j与车道的对应关系；进口道交通流检测数据包括各转向饱和车头时距h_j，以及短时间隔内的流向流量q_(j,t)，式中t指代短时间隔，通常以5min作为短时间隔时长；多时段信号控制方案包括全天该路口的交通信号控制时段P_k起、终时刻以及该时段对应的信号控制周期C_k、相序、相位绿灯时长g_(k,i)，并据此提取各流向绿灯时长G_(k,j)，式中k指代控制时段编号，i指代相位编号，j指代相位i中的流向编号。

在实施例中，以常见的十字交叉口为例，流向j取值为[1,12]，编号顺序指代{北直，北左，北右，南直，南左，南右，西直，西左，西右，东直，东左，东右}。

S2、基于实测的短时间隔进口道交通流检测数据以及多时段交通信号控制方案，标定短时间隔的相位空放率、相位失衡率、流向空放率，并进行数据预处理；具体步骤包括：

S21、基于交叉口各流向空放时长Δ_(j,t)，计算短时间隔内的各相位空放率A_(i,t)、各相位失衡率U_(i,t)、流向空放率R_(i,t)。

其中，流向空放时长

式中短时间隔t包含在控制时段P_k的时间区间内。

相位空放率

式中

指相位i包含的流向中最短的空放时长。

相位失衡率

式中

为该时段内相位所有流向空放时长均值，N为相位i内包含的流向数量。

流向空放率

式中参数同前。

S22、根据S21计算获得的各相位空放率A_(i,t)、各相位失衡率U_(i,t)的时间序列，对原始交通信号控制时段P_k内的数据完整性进行判断，若相位空放率、失衡率数据缺失比例超过阈值D，则将该控制时段标记为不切分；否则，该控制时段不标记，并提取出该控制时段内所有短时间隔的相位空放率、相位失衡率参数时间序列；通常，阈值D取值不大于50％。

S23、对提取出的短时间隔相位空放率、相位失衡率参数时间序列进行指数平滑处理，根据相位失衡率的时间序列极差确定指数平滑系数，其中极差

即为相位失衡率的最大值与最小值的差值。

在实施例中，相位失衡率极差与指数平滑方式、平滑系数的选取的关系如下表所示：

RU<sub>i</sub>	指数平滑方式	平滑系数
			≤0.04	一次指数平滑	0.1
(0.04,0.15]	一次指数平滑	0.4
			>0.15	二次指数平滑	0.9

S3、从S2中经过预处理的的未标记控制时段内的相位空放率、相位失衡率时间序列中，基于对同一控制时段内同一相位绿时利用情况及其不同流向过车失衡情况的差异性分析，提取出待优化的短时间隔。提取条件是：

S31、若相位空放率A_(i,t)＞α₁，且相位失衡率U_(i,t)≤μ₁，则将该短时间隔i的优化特征参数f_t标记为0；式中优化特征参数定义为：

α₁,μ分别为相位空放率与失衡率切分阈值，通常取值为α₁＝0.1,μ₁＝0.5；否则，f_t标记为1。

S32、提取所有进一步判断f_t＝1的短时间隔，并进一步判断

或

是否成立，若成立，则提取出短时间隔t，并将同属于相同控制时段的短时间隔组合成为待优化间隔序列F_k；式中，F_k对应于原始交通信号控制时段P_k，β为变化率阈值，实施例中取值为0.15，可根据路口交通运行实测情况进行调整；若不成立，则将其优化特征参数f_t赋值为0。

S33、提取出所有f_t＝0的短时间隔，并将其中存在的连续间隔合并，合并后的间隔起始时刻点标记为切分点p_(k,t)。

S4、对于待优化间隔序列F_k中的间隔，若存在任意两个时间连续的间隔，则对间隔内的相位空放率、相位失衡率、流向空放率进行相似性分析，判断其合并的可行性；具体步骤如下：

S41、对于任两个连续的短时间隔t、t+1，若对于间隔内的任意相位i，A_(i,t)＞α₂均成立，则将短时间隔t、t+1合并，形成一次合并待优化间隔序列F_k'；式中，α₂为一次合并阈值；实施例中，阈值α₂取值0.8。

S42、对F_k'内各时段原始的相位失衡率做卷积平滑处理。

S43、对于F_k'中的间隔，若存在任意两个时间连续的间隔t',t'+1，其流向失衡率满足R_(j,t')·R_(j,t'+1)＞0，且失衡流向对应的相位失衡指数|U_(i,t')-U_(i,t'+1)|≤μ₂，则将间隔t’、t’+1合并，形成二次合并待优化间隔序列F″_k；式中，t’表示经S41合并处理后的序列F_k'中的时间间隔，μ₂为二次合并失衡指数相似性阈值；实施例中，μ₂取值为0.2。

S5、待优化时段F_k经S4处理后形成的序列F″_k，序列中的间隔为t″，将序列内各间隔的起点时刻标记为时段切分点p_(k,t″)；按时序排列所有时段切分点p_(k,t)、p_(k,t″)，并由切分点在原始时段内形成若干子时段，若存在子时段长度小于时段时长阈值T₁，则进一步检测其前、后相邻时段长度，并将该子时段与其长度较小的相邻时段之间的切分点取消；从而形成优化时段P_k内的时刻切分点序列m_(k,t)，据此将原始时段P_k进行优化划分，形成优化方案P_m；式中，时段时长阈值T₁通常不小于15min。

S6、对于任意两个相邻的时段P_m、P_m+1，其中m指代优化方案P_m中的时段，若其所属的原始时段不同，则基于流向空放率对其运行特征相似性分析。

①两时段内的任意短时间隔内t_m的任意流向空放率

式中流向空放率绝对阈值γ₁取值通常不小于0.8；实施例中该阈值取值为0.8。

②相邻间隔内所有流向均满足

③相邻间隔内所有流向均满足

式中流向空放率相对阈值γ₂取值通常不大于0.3；实施例中该阈值取值为0.2。

同时满足上述条件，则对相邻时段P_m、P_m+1进行合并；否则保持原划分点；形成优化方案P_v。

S7、提取出优化方案P_v中长度小于时长阈值T₂的时段，并将其中的连续时段加以合并，通常时长阈值T₂的取值不小于30min；对于其中离散的时段，检测其相邻时段是否存在f_t＝1的短时间隔，若存在，将其与存在f_t＝1短时间隔且总时长较短的时段合并；否则，则将该时段合并到相邻时段中总时长较短的时段中；合并后的时段即为最终优化划分方案P_f。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (5)

1.一种城市道路交叉口多时段信号控制方案的时段划分优化方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤1，对接交叉口渠化信息、进口道交通流检测数据以及多时段交通信号控制方案；

步骤1中，渠化信息包括各进口道的流向j与车道的对应关系；进口道交通流检测数据包括各转向饱和车头时距h_j，以及短时间隔内的流向流量q_(j,t)，其中t指代短时间隔，以5min作为短时间隔时长；多时段信号控制方案包括全天路口的交通信号控制时段P_k的起、终时刻以及该时段对应的信号控制周期C_k、相序、相位绿灯时长g_(k,i)，并根据相位中的流向组成情况计算各流向绿灯时长G_(k,j)，其中k指代控制时段编号，i指代相位编号，j指代相位i中的流向编号；

步骤2，基于实测的短时间隔的进口道交通流检测数据以及多时段交通信号控制方案，标定短时间隔的相位空放率、相位失衡率、流向空放率，并进行数据预处理，得到待切分的控制时段内的相位空放率、相位失衡率时间序列；

步骤2中，基于交叉口各流向空放时长Δ_(j,t)，计算短时间隔内的各相位空放率A_(i,t)、各相位失衡率U_(i,t)、流向空放率R_(i,t)；

其中，流向空放时长

式中短时间隔t包含在控制时段P_k的时间区间内；

相位空放率

式中

指相位i包含的流向中最短的空放时长；

相位失衡率

式中

为该时段内相位所有流向空放时长均值，N为相位i内包含的流向数量；

流向空放率

式中参数同前；

步骤3，从步骤2中得到的经过预处理的待切分控制时段内的相位空放率、相位失衡率时间序列中，基于对同一控制时段内同一相位绿时利用情况及其不同流向过车失衡情况的差异性分析，提取出待优化的短时间隔序列F_k和切分点p_(k,t)；

步骤4，对于待优化短时间隔序列F_k中的间隔，若存在任意两个时间连续的间隔，则对间隔内的相位空放率、相位失衡率、流向空放率进行相似性分析，判断其合并的可行性，得到二次合并待优化间隔序列F”_k；

步骤5，经步骤4处理后形成的二次合并待优化间隔序列F”_k，序列中的间隔为t”，将序列内各间隔的起点时刻标记为时段切分点p_(k,t”)；按时序排列所有时段切分点p_(k,t)、p_(k,t”)，并由切分点在原始时段内形成若干子时段，若存在子时段长度小于时段时长阈值T₁，则进一步检测其前、后相邻时段长度，并将该子时段与其长度较小的相邻时段之间的切分点取消；从而形成优化时段P_k内的时刻切分点序列m_(k,t)，据此将原始时段P_k进行优化划分，形成优化方案P_m；其中，时段时长阈值T₁通常不小于15min；

步骤6，对于优化方案P_m中的任意两个相邻的时段P_m、P_m+1，其中m指代优化方案P_m中的时段，若其所属的原始时段不同，则基于流向空放率对其运行特征相似性分析，若满足合并条件，则对相邻时段P_m、P_m+1进行合并，否则保持原划分点；得到形成优化方案P_v；

步骤7，提取出优化方案P_v中长度小于时长阈值T₂的时段，并将其中的连续时段加以合并，时长阈值T₂的取值不小于30min；对于其中离散的时段，检测其相邻时段是否存在f_t＝1的短时间隔，若存在，将其与存在f_t＝1短时间隔且总时长较短的时段合并，f_t为优化特征参数；否则，则将该时段合并到相邻时段中总时长较短的时段中；合并后的时段即为最终优化划分方案P_f。

2.根据权利要求1所述的一种城市道路交叉口多时段信号控制方案的时段划分优化方法，其特征在于：步骤2的具体步骤包括：

步骤2-1，基于交叉口各流向空放时长Δ_(j,t)，计算短时间隔内的各相位空放率A_(i,t)、各相位失衡率U_(i,t)、流向空放率R_(i,t)；

步骤2-2，根据步骤2-1计算获得的各相位空放率A_(i,t)、各相位失衡率U_(i,t)的时间序列，对原始交通信号控制时段P_k内的数据完整性进行判断，若相位空放率、失衡率数据缺失比例超过阈值D，则将该控制时段标记为不切分；否则，该控制时段标记为待切分，并提取出该控制时段内所有短时间隔的相位空放率、相位失衡率参数时间序列；阈值D取值不大于50％；

步骤2-3，对提取出的短时间隔相位空放率、相位失衡率参数时间序列进行指数平滑处理，根据相位失衡率的时间序列极差确定指数平滑系数，其中极差

即为相位失衡率的最大值与最小值的差值。

3.根据权利要求2所述的一种城市道路交叉口多时段信号控制方案的时段划分优化方法，其特征在于：步骤3中，待优化的短时间隔序列F_k的步骤是：

步骤3-1，若相位空放率A_(i,t)＞α₁，且相位失衡率U_(i,t)≤μ₁，则将该短时间隔i的优化特征参数f_t标记为0；否则，f_t标记为1；其中，优化特征参数定义为：

α₁,μ分别为相位空放率与失衡率切分阈值，取值为α₁＝0.1,μ₁＝0.5；

步骤3-2，提取所有标记为f_t＝1的短时间隔，并进一步判断

或

是否成立，若成立，则提取出短时间隔t，并将同属于相同控制时段的短时间隔组合成为待优化间隔序列F_k；若不成立，则将其优化特征参数f_t赋值为0；其中，F_k对应于原始交通信号控制时段P_k，β为变化率阈值，根据路口交通运行实测情况进行调整；

步骤3-3，提取出所有f_t＝0的短时间隔，并将其中存在的连续间隔合并，合并后的间隔起始时刻点标记为切分点p_(k,t)。

4.根据权利要求3所述的一种城市道路交叉口多时段信号控制方案的时段划分优化方法，其特征在于：步骤4具体步骤如下：

步骤4-1，对于任两个连续的短时间隔t、t+1，若对于间隔内的任意相位i，A_(i,t)＞α₂均成立，则将短时间隔t、t+1合并，形成一次合并待优化间隔序列F'_k；其中，α₂为一次合并阈值；

步骤4-2，对F'_k内各时段原始的相位失衡率做卷积平滑处理；

步骤4-3，对于F'_k中的间隔，若存在任意两个时间连续的间隔t',t'+1，其流向失衡率满足R_(j,t')·R_(j,t'+1)＞0，且失衡流向对应的相位失衡指数|U_(i,t')-U_(i,t'+1)|≤μ₂，则将间隔t’、t’+1合并，形成二次合并待优化间隔序列F”_k；其中，t’表示经步骤4-1合并处理后的序列F'_k中的时间间隔，μ₂为二次合并失衡指数相似性阈值。

5.根据权利要求4所述的一种城市道路交叉口多时段信号控制方案的时段划分优化方法，其特征在于：步骤6中，合并条件包括：

条件1，两时段内的任意短时间隔内t_m的任意流向空放率

式中流向空放率绝对阈值γ₁取值通常不小于0.8；

条件2，相邻间隔内所有流向均满足

条件3，相邻间隔内所有流向均满足

式中流向空放率相对阈值γ₂取值通常不大于0.3；

上述三个条件1至3同时满足时进行合并。

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